設計簡易的隔離式偏壓電源

本文將探討如何以最少零件、最低復雜度及最節省成本的方法，針對閘極驅動、隔離感測與通訊電路，設計隔離式電源供應電路。當輸入電壓較低，而且電路通電時允許少許(5%) 電壓偏差，就能夠使用這種電路。

圖 1 的例子示范了專為簡易隔離式偏壓電源所開發的 IC，任何允許下沉操作（sink operaton）的同步降壓電路均可使用。這種電路稱為非對稱半橋返馳電路 (asymmetrical half-bridge flybuck) ，其運作方式與同步降壓穩壓器相當類似。連接輸入電壓的 FET 圖騰柱 (totem pole) 輸出會供應電感電容濾波器。接下來透過分壓器 (voltage divider) 及誤差放大器負輸入調節濾波器輸出。誤差放大器會控制 FET 圖騰柱 (totem pole) 輸出的負載周期，使 DC 電壓維持在感測點 (sense point)。

C6 的電壓相當于負載率 (duty factor) 乘以輸入電壓。和降壓功率級一樣，電感的伏秒 (voltage-second) 必須等于零。但此電路在電感加入一個耦合繞組 (coupled winding) ，并且使用二極管修正低位 FET 啟動時所反射的電感電壓。由于這段期間的電感電壓等于輸出電壓，因此電路的輸出將獲得調節。不過一次側及二次側的電壓降幅差異將降低調節的效果。在此電路中，負載的電壓調節將受到二極管 D1 正向電壓降幅的影響，若將二極管改換成 FET，即可提升負載調節的效果。

和耦合電感 SEPIC 一樣，此拓樸的寄生組件也會影響電路性能。在導通時間內，電路狀況相當良好，大部份的電流都流入耦合電感 T1 的磁化電感，使 C6 充電。輸出電容 C3 則供應負載電流。不過，在關閉期間，兩個電容將透過電感的耦合繞組平行放置。這兩個電容具有不同的電壓，只有回路中的寄生組件會限制兩者之間的電流。這些寄生組件包括這兩個電容的 ESR、耦合電感的繞組電阻、低位 MOSFET 與二極管的阻抗，以及耦合電感的漏損電感。

圖 2 顯示不同漏損電感值的模擬電流。上半部為 T1 一次側的電流，下半部為輸出二極管 D1 的電流。緊密耦合電感 10 nH 與松散耦合電感 1 uH 的漏損電感各不相同。對于緊密耦合電感，峰值電流較高，也受到回路阻抗的實質限制。

對于松散耦合電感，峰值電流較低。較高的漏損可減少 RMS 電流，有助于改善電源供應的效率。圖 2 顯示兩者的比較。松散耦合電感的電流最多可減少 50%，可減少少數組件的耗損達 75%。松散耦合的缺點是輸出電壓的調節不佳。

圖 3 顯示如圖 1 的轉換器所呈現的負載調節結果。如果負載電流受限制，在大部分的情況下，此轉換器將提供足夠的調節。在輕負載時，可看出二極管接面電壓變化及振鈴的影響。可能需要最小負載或 Zener 箝位，才能降低這些輕負載效應。在重負載時，電路的寄生組件會降低調節的效果。因此減少組件數有助于提升效果。例如，將二極管改換成同步切換，將大幅提升負載調節。

總而言之，返馳式（Flyback）轉換器是相當具吸引力的拓樸，能夠提供低成本且簡單的隔離式電源供應，承受輸出5% 至 10% 的電壓變化。二極管整流器在 5V 下的輸出效率能夠維持80% 的良好狀態，而且同步整流器的狀態也將更為改善。